[发明专利]一种软包锂离子电池硅负极及其制造方法

说明书

技术领域

本发明属于锂离子电池领域，尤其涉及一种高扛张强度的软包锂离子电池硅负极及其制造方法。

 

背景技术

    随着电动车和混合动力电动车的迅猛发展，对于有更高的功率密度和能量密度，适合于快速充放电的动力型锂离子电池以及具有更为长久续航能力的能量型锂离子电池的需求十分迫切。开发符合上述要求的锂离子电池的主要思路是寻找新型正极、负极材料，使电池具有更高的锂嵌入量和很好的脱锂可逆性，以保证电池的高电压、大容量和长循环寿命。当前商业化的锂离子电池负极采用的是石墨系材料，它具有防止锂的枝状结晶、嵌锂时体积变化小等优点，但其370mAh/g的理论容量不及锂金属负极理论容量的1/10。因此，人们正在积极研究新的高容量、长循环寿命的负极材料，以替代石墨系材料。

硅嵌锂理论容量高达4200mAh/g，是目前商业化负极石墨材料（理论容量372mAh/g）的10倍以上, 有重大的应用前景。但经过数次充放电循环，硅材料体积膨胀率高达300%(远高于石墨10%)。巨大的体积效应引起硅材料发生粉化，活性物质从集流体上脱落，造成电池循环稳定性非常差。

针对硅材料在脱嵌锂前后伴随有巨大体积变化从而导致电池性能迅速衰减问题的一个解决办法是将硅（合金）与石墨等进行混合制得硅碳复合材料。在保证硅的较大容量的前提下，利用石墨具有较大比表面积的优点，石墨材料可弹性缓冲硅（合金）材料在充放电过程中体积的膨胀和缩小。硅碳复合材料与碳材料相比，一方面，通过硅（合金）的添加提高了嵌锂容量；另一方面，碳材料的引入缓冲了硅的膨胀，提高了电子导电性。

针对硅材料存在的体积膨胀问题，另一解决办法是采用抑制其膨胀的粘接剂。目前，运用非常广泛的电极粘接剂为聚偏二氟乙烯（PVDF），PVDF具有非常高的粘结力，但是PVDF与电解液中的丙烯碳酸酯作用时容易发生溶胀，造成电极结构变形，同时粘结剂的粘结力降低，从而导致电池性能下降，电池的循环性能变差。另一种常用的粘接剂为丁苯橡胶（SBR），SBR具有优异的弹性能力，但SBR的粘结力较差，使得活性物质颗粒与活性物质颗粒之间、活性物质与集流体之间的粘结效果一般，目前还无法满足抑制硅负极膨胀的要求。

中国专利公布号CN 101807725 A，公布日2010年8月18日，名称为锂离子电池，该申请案公开了一种锂离子电池，包括电池壳及层叠卷绕成电极组的阴极片、阳极片和隔离膜，阴极片包括阴极集流体和附着于阴极集流体上的阴极膜片，阳极片包括阳极集流体和附着于阳极集流体上的阳极膜片，隔离膜间隔与相邻的阴阳极片之间，阴极集流体由石墨材料制成，阴极片和阳极片分别在其宽度方向上设有未涂布阴/阳极膜片的露出部，露出部作为极耳分别电连接于电池壳的阴极和阳极上。其不足之处在于，循环寿命短，比容量低。

发明内容

本发明的目的在于为了解决现有硅基负极材料在锂离子嵌入脱出过程中伴随的巨大体积变化而导致电池循环寿命较短的缺陷而提供一种具有高扛张能力的软包锂离子电池的含硅负极。

本发明的另一个目的是提供一种软包锂离子电池的含硅负极的制造方法。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种软包锂离子电池硅负极，所述软包锂离子电池硅负极由集流体与涂覆在集流体表面的活性物质层组成，活性物质层由以下质量百分比的物质组成，硅-碳复合材料10-92%、导电剂2-70%与粘结剂5-20%，所述粘结剂为聚酰亚胺，活性物质层的孔隙率为30-65%，压实密度为1.1 g/cm³ – 2.0 g/cm³。

在本技术方案中，针对硅材料在脱嵌锂前后伴随有巨大体积变化从而导致电池性能迅速衰减问题的一个解决办法是将硅与石墨等进行混合制得硅碳复合材料。在保证硅的较大容量的前提下，利用石墨具有较大比表面积的优点，石墨材料可弹性缓冲硅材料在充放电过程中体积的膨胀和缩小。硅碳复合材料与碳材料相比，一方面，通过硅的添加提高了嵌锂容量；另一方面，碳材料的引入缓冲了硅的膨胀，提高了电子导电性；而在硅碳复合材料外包覆一层碳包覆层，可将硅分割包围，使硅不与电解液直接接触，所形成的核壳结构的大颗粒减小了材料的比表面积，使充放电效率提高，同时使用碳包覆层包覆硅碳复合材料，利用了硅的高容量和碳载体的低体积效应，提高了锂离子电池负极材料的可逆容量，从而增加循环稳定性。

作为优选，集流体为铜箔，厚度为8-25μm，集流体表面的活性物质层的涂布密度为50g/m² – 200g/m²。